Історія фізика

Федеральне державне освітній заклад

Середньої професійної освіти

Чорногорський механіко-технологічний технікум

з дисципліни: Фізика

виконав:

студент 1 курсу

спеціальності

"Теплопостачання та

теплотехнічного

обладнання "

Крилов А.Є.

перевірив: Тимошкин А.І.

Черногорск 2009

план

1.Історія фізики

2. Предмет і структура фізики

3. Основні етапи історії розвитку фізики

4. Зв'язок сучасної фізики з технікою та іншими природними науками

5. Роль теплових машин в житті людини

1. Історія фізики

Фізика (грец. Ta physika, від physis - природа), наука про природу, що вивчає найпростіші і разом з тим найбільш загальні властивості матеріального світу. За досліджуваних об'єктів фізика поділяється на фізику елементарних частинок, атомних ядер, атомів, молекул, твердого тіла, плазми і т. Д. До основних розділів теоретичної фізики відносяться: механіка, електродинаміка, оптика, термодинаміка, статистична фізика, теорія відносності, квантова механіка, квантова теорія поля.

Фізика почала розвиватися ще до н. е. (Демокріт, Архімед та ін.); в 17 в. створюється класична механіка (І. Ньютон); до кін. 19 в. було в основному завершено формування класичної фізики. У поч. 20 в. у фізиці відбувається революція, вона стає квантової (М. Планк, Е. Резерфорд, Н. Бор). У 20-і рр. була розроблена квантова механіка - послідовна теорія руху мікрочастинок (Л. де Бройль, Е. Шредінгер, В. Гейзенберг, В. Паулі, П. Дірак). Одночасно (в поч. 20 ст.) З'явилося нове вчення про простір і час - теорія відносності (А. Ейнштейн), фізика робиться релятивістської. У 2-й пол. 20 в. відбувається подальше істотне перетворення фізики, пов'язане з пізнанням структури атомного ядра, властивостей елементарних частинок (Е. Фермі, Р. Фейнман, М. Гелл-Ман та ін.), конденсованих середовищ (Д. Бардін, Л. Д. Ландау, Н. Н. Боголюбов і ін.).

Фізика стала джерелом нових ідей, перетворили сучасну техніку: ядерна енергетика (І. В. Курчатов), квантова електроніка (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров і Ч. Таунс), мікроелектроніка, радіолокація і ін. Виникли і розвинулися в внаслідок досягнень фізики.

2. Предмет і структура фізики

Грецьке слово фізика (від цеуйт - природа) означає науку про природу. В епоху ранньої грец. культури наука була ще нерозчленованої і охоплювала все, що було відомо про земні і небесні явища. В Англії до теперішнього часу за Ф. збереглося найменування «натуральної філософії». У міру накопичення фактич. матеріалу і його наукового узагальнення, у міру диференціації наукових знань і методів дослідження з натурфілософії, як загального вчення про природу, виділилися астрономія, фізика, хімія, біологія, геологія, технічні. науки.

Межі, що відокремлюють Ф. від інших дисциплін, ніколи не були чіткими. Коло явищ, що вивчалися Ф., в різні періоди її історії змінювався. Напр., У 18 ст. кристали вивчалися тільки мінералогії; в 20 в. будову і физич. властивості кристалів є предметом кристалофізики. Тому спроби дати строге визначення Ф. як науки шляхом обмеження класу досліджуваних нею об'єктів виявляються невдалими. У будь-якого об'єкта є такі загальні властивості (механічні, електричні і т. Д.), К-які служать предметом вивчення Ф. Разом з тим було б неправильно зберегти і старе визначення Ф. як науки про природу. Найближче до істини визначення сучасної Ф. як науки, що вивчає загальні властивості і закони руху речовини і поля. Це визначення дає можливість усвідомити взаємини Ф. з іншими природничими науками. Воно пояснює, чому Ф. грає таку велику роль в сучасному природознавстві.

Ф. середини 20 ст. можна розділити: за досліджуваних об'єктів - на молекулярну Ф., атомну Ф., електронну Ф. (включаючи вчення про електромагнітне поле), ядерну Ф., фізику елементарних частинок, вчення про гравітаційне поле; а по процесам і явищам - на механіку і акустику, вчення про теплоту, вчення про електрику і магнетизм, оптику, вчення про атомні та ядерних процесах. Ці два способи підрозділи Ф. частково перекриваються, оскільки між об'єктами і процесами є певна відповідність. Важливо підкреслити, що між різними розділами Ф. також немає різких граней. Напр., Оптика в широкому сенсі слова (як вчення про електромагнітні хвилі) може розглядатися як частина електрики, Ф. елементарних частинок зазвичай відносять до ядерної Ф.

Найбільш загальними теоріями сучасної Ф. є: теорія відносності, квантова механіка, статистич. Ф., загальна теорія коливань і хвиль. За методами дослідження розрізняють експериментальну Ф. і теоретич. Ф. По цілям дослідження часто виділяють також прикладну Ф.

Широка розгалуженість сучасної Ф., її тісний зв'язок з іншими галузями природознавства і технікою зумовили появу багатьох прикордонних дисциплін. Протягом 19 та 20 ст. в прикордонних областях утворився ряд наукових дисциплін: астрофізика, геофізика, біофізика, агрофізика, хімічні. Ф .; розвинулися фізико-технічні. науки: тепло-фізика, електрофізика, радіофізика, Металофізика, прикладна оптика, електроакустика і ін.

Такий розділ Ф., як механіка, в 19 ст. виділився в самостійну науку зі своїми специфічний. методами і областями застосування. Сучасна механіка, що охоплює механіку точки і системи точок, теорію пружності, гідродинаміку і аеродинаміку, становить основу вчення про механізми, про міцності і стійкості споруд, основу авіації та гідротехніки.

3. Основні етапи історії розвитку фізики

Передісторія фізики. Спостереження фізичних явищ відбувалося ще в глибоку давнину. У той час процес накопичення фактично знань ще не був диференційований; фізичні, геометричні та астрономічні уявлення розвивалися спільно.

Економічна необхідність відокремлювати земельні ділянки і вимірювати час привела до розвитку вимірів простору і часу ще в давнину - в Єгипті, Китаї, Вавилонії і Греції. Система-тич. накопичення фактів і спроби їх пояснення і узагальнення, що передували створенню Ф. (в сучасному розумінні слова), особливо інтенсивно відбувалися в епоху грецько-римської культури (6 ст. до н. е.- 2 ст. н. е.). У цю епоху зародилися початкові ідеї про атомну будову речовини (Демокріт, Епікур, Лукрецій), була створена гео-центріч. система світу (Птолемей), з'явилися зачатки геліоцентріч. системи (Аристарх Самоський), були встановлені нек-риє прості закони статики (правила важеля, центру ваги), отримані перші результати прикладної оптики (виготовлені дзеркала, відкритий закон відбиття світла, виявлено явище заломлення), відкриті найпростіші початку гідростатики (закон Архімеда). Найпростіші явища магнетизму і електрики були відомі ще в глибоку давнину.

Вчення Аристотеля підвело підсумок знань попереднього періоду. Однак фізика Аристотеля, заснована на принципі доцільності природи, хоча і включала окремі вірні положення, разом з тим відкидала передові ідеї попередників, в т. Ч. Ідеї геліоцентріч. астрономії і атомізму.

Канонизированное церквою вчення Арістотеля перетворилося на гальмо подальшого розвитку науки. Після тисячолітнього застою і безпліддя наука відродилася лише в 15-16 ст. в боротьбі проти поглядів Аристотеля. У 1543 Н. Коперник надрукував твір «Про обертання небесних сфер»; опублікування його було революційним актом, з к-якого «починає своє літочислення звільнення природознавства від теології» (Енгельс Ф., Діалектика природи, 1955, стор. 5). Відродження науки було зумовлено гл. обр. потребами виробництва в мануфактурний період. Великі географич. відкриття, зокрема відкриття Америки, сприяли накопиченню безлічі нових спостережень і повалення старих забобонів. Розвиток ремесел, судноплавства і артилерії створило стимули для наукового дослідження. Наукова думка зосередилася на завданнях будівництва, гідравліки і балістики, посилився інтерес до математики. Розвиток техніки створило можливості для експерименту. Леонардо да Вінчі поставив цілу серію физич. питань і намагався вирішити їх шляхом досвіду. Йому належить вислів: «досвід ніколи не обманює, оманливі тільки наші судження».

Перший період розвитку фізики починається з праць Г. Галілея. Саме Галілей був творцем експериментального методу в Ф. Ретельно продуманий експеримент, відділення другорядних факторів від головного в досліджуваному явищі, прагнення до встановлення точних кількісних співвідношень між параметрами явища - такий метод Галілея. За допомогою цього методу Галілей заклав початкові основи динаміки. Він зумів показати, що не швидкість, а прискорення є наслідок зовнішнього впливу на тіло. У своїй праці «Бесіди і математичні докази, що стосуються двох нових галузей науки ...» (1638) Галілей переконливо обґрунтовує цей висновок, який представляє собою перше формулювання закону інерції, усуває видимі протиріччя. Він доводить на досвіді, що прискорення вільного падіння тіл не залежить від їх щільності і маси. Розглядаючи рух кинутого тіла, Галілей знаходить закон складання рухів і по суті висловлює положення про незалежність дії сил. У «Бесідах» викладаються також відомості про міцності тел.

У працях Галілея і Б. Паскаля (а ще раніше - гол. Вченого С. Стевина) були закладені основи гідростатики. Галілею належать важливі відкриття і в інших областях Ф. Він вперше підтверджує на досвіді явище поверхневого натягу, вивчене багато пізніше. Галілей збагачує прикладну оптику своїм телескопом, а його термометр привів до кількісного вивчення теплових явищ.

Таким чином, в 17 ст. були створені основи механіки і розпочато дослідження в найважливіших напрямках Ф.- у вченні про електрику і магнетизм, про теплоту, физич. оптиці і акустиці.

У 18 ст. триває подальша розробка всіх областей Ф. Ньютоновская механіка стає розгалуженою системою знань, що охоплює закони руху земних і небесних тіл. Працями Л. Ейлера, франц. вченого А. Клеро і ін. створюється небесна механіка, доведена до високого досконалості П. Лапласом. Відкриття ньому. астрономом І. Галле в 1846 нової планети - Нептуна, стало свідченням могутності небесної механіки.

Важливим стимулом для розвитку механіки послужили запити мануфактурного, а потім машинного виробництва. Л. Ейлер закладає основи динаміки твердого тіла. Ж. Д'Аламбер розробляє динаміку невільних систем. Д. Бернуллі, Л. Ейлер і Ж. Лагранж створюють основи гідродинаміки ідеальної рідини. Ш. Кулон досліджує закони тертя і крутіння. У «Аналітичної механіки» Лагранжа рівняння механіки представлені в настільки узагальненій формі, що вона робить їх застосовними і до немеханіч. процесам, напр. електромагнітним (при відповідному тлумаченні входять до них функцій). У своєму розвиненому вигляді механіка стає основою машинної техніки того часу, зокрема гідравліки.

В інших розділах Ф. в 18 ст. відбувається подальше накопичення досвідчених даних, формулюються найпростіші закони. Французький фізик Ш. Дюфе відкриває існування двох пологів електрики. В. Франклін формулює закон збереження заряду. В середині 18 ст. був створений перший електричні. конденсатор (лейденська банку П. Мушенбрук в Голландії), що дав можливість накопичувати великі електричні. заряди, що полегшило дослідження закону їх взаємодії. Цей закон, який є основою електростатики, був відкритий незалежно один від одного Г. Кавендіш і Дж. Прістлі (Англія) і Ш. Кулоном (Франція). За допомогою крутильних терезів Кулон знайшов не тільки закон взаємодії нерухомих зарядів, але і аналогічний закон для магнітних полюсів. Таким же приладом Кавендіш виміряв гравітаційну постійну. І. Вільке (Німеччина) відкрив електростатіч. індукцію. Виникло вчення про атмосферний електриці. В. Франклін в 1752 і роком пізніше М. В. Ломоносов і Г. В. Рихман вивчали грозові розряди і довели електричні. природу блискавки. В оптиці продовжувалося удосконалення об'єктива телескопа (Л. Ейлер, англ. Вчений Дж. Дол-Лонда). Працями П. Бугера (Франція) та І. Ламберта (Німеччина) почала створюватися фотометрія. Англ. вчені В. Гершель і У.Волластон відкрили інфрачервоні промені, а ньому. учений І. Ріттер - ультрафіолетові. Велика увага стали приділяти явищам люмінесценції. Стали розроблятися методи термометрії, встановлюватися термо-метрич. шкали. Розвиток хімії та металургії стимулювало розробку вчення про теплоту. Дж. Блек (Англія) встановив відмінність між температурою і кількістю тепла, відкривши приховану теплоту плавлення льоду. Було сформульовано поняття теплоємності, виміряні теплоємності різних речовин, заснована калориметрия. Ломоносов передбачив існування абсолютного нуля. Були розпочаті дослідження теплопровідності і теплового випромінювання, вивчення теплового розширення тіл. В цей же період була створена і почала удосконалюватися парова машина.

Теорія відносності є однією з найбільш загальних теорій сучасної Ф.Не менш важливим і дієвим узагальненням физич. фактів і закономірностей з'явилася квантова механіка (див.), створена в кінці 1-й чверті 20 ст. в результаті досліджень взаємодії випромінювання з частинками речовини і вивчення станів внутрішньоатомних електронів.

Ще в кінці 19 ст. з'ясувалося, що закон розподілу енергії теплового випромінювання по спектру, виведений на основі класичного. закону про рівний розподіл енергії за ступенями свободи, суперечить дійсності. Відповідно до закону Релея - Джинса, інтенсивність випромінювання повинна бути пропорційна температурі і квадрату частоти випромінювання. Звідси виходив явно не відповідає дійсності висновок, що будь-яке тіло має випускати досить інтенсивний видиме світло при будь-якій температурі. Німецький учений М. Планк в 1900 знайшов відповідний досвіду закон розподілу енергії в спектрі теплового випромінювання, зробивши нове припущення, що атоми речовини при випромінюванні втрачають енергію тільки певними порціями (квантами), пропорційними частоті випромінювання; коефіцієнт пропорційності (постійна Планка) повинен бути універсальною постійною. Гіпотеза Планка про квантуванні енергії випромінювання з'явилася вихідним пунктом квантової теорії. Слідом потім Ейнштейн (1905) зумів пояснити закони фотоефекту, припустивши, що поле випромінювання являє собою газ особливих частинок світла - фотонів. Фотонна теорія світла дозволила правильно пояснити і інші явища взаємодії випромінювання з частинками речовини. Таким чином, виявилося, що світло має двоїсту природу - корпускулярно-хвильової. Квантування випромінювання, що випускається або поглинається атомами речовини, призвело до висновку, що енергія внутрішньоатомних рухів може також змінюватися стрибкоподібно. Це наслідок знаходилося в суперечності з тими моделями атома, к-які створювалися до 1913.Наіболее досконалою моделлю атома до цього часу була ядерна модель Резерфорда, побудована на обліку відомих тоді фактів проходження швидких а-частинок крізь речовину. У цій моделі електрони рухалися навколо атомного ядра за законами класичної. механіки і безперервно випромінювали світло за законами класичної. електродинаміки, що знаходилося в суперечності з фактом квантування випромінювання. Перший крок на шляху вирішення цієї суперечності зробив в 1913 датський вчений Н. Бор, к-рий в своїй моделі атома зберіг класичні. орбіти для електронів в стаціонарних станах атома, але зробив припущення про те, що дозволені не всі мислимі орбіти, а лише дискретний ряд їх. Оскільки з кожної орбітою пов'язано певне значення енергії і моменту кількості руху, то ці величини також виявилися квантовими. При переході з однієї дозволеної орбіти на іншу атом випускає або поглинає фотон. Дискретність енергії атома знайшла пряме підтвердження в закономірностях атомних спектрів і в явищах зіткнень атомів з електронами.

За останній 20-річчя число відомих елементарних частинок зросла в кілька разів. Крім електронів і позитронів, протонів і нейтронів (а також фотонів), відкрито кілька видів мезонів. Доведено існування нейтральної частинки - нейтрино. Після 1953 зроблені нові відкриття, що мають принципове значення: виявлені важкі нестабільні частинки з масами, великими мас нуклонів, - т. Зв. гіперони, к-які розглядаються як збуджені стани нуклонів. У 1955 виявлено існування антипротона.

Всі ці відкриття свідчать про те, що будь-який вид елементарних частинок здатний до перетворень, що елементарні частинки можуть виникати ( «народжуватися») і зникати, перетворюючись в частинки іншого виду. Це доводить наявність генетичної. зв'язку між різними елементарними частинками, і найближче завдання цієї області Ф. складається в розробці їх взаємозв'язку. Ці факти говорять також про те, що елементарні частинки аж ніяк не елементарні, в абсолютному значенні слова, а володіють складною структурою, доурую ще належить розкрити. Сучасна Ф. підтвердила прогноз В. І. Леніна про невичерпність електрона.Современная теорія елементарних частинок трактує їх як прояви різних полів - електромагнітного, електронно-позитронного, мезонних і т. Д. Підставою для такого трактування є зазначена вище здатність частинок до перетворень, до виникненню і зникнення з появою часток іншого поля (або інших полів). Чудовий результат цієї теорії - висновок про те, що і при відсутності частинок даного типу в даній області простору зберігається т. Н. нульове (найменше) поле вакууму даного типу, що виявляється в ряді ефектів.

При нерозумінні цих основних положень наукового матеріалізму кожен новий етап, який відкривав нові об'єкти і нові сторони в явищах природи, сприймався частиною фізиків як повне заперечення теорії, побудованої на великому фактич. матеріалі, як спростування матеріальності світу. Насправді мова йде завжди про новий розвиток теорії, про охоплення нової сторони явищ. Незвичність нових властивостей матерії наводилася ідеалістами як підстава для заперечення самої матерії, тоді як насправді відбувається поповнення поняття матерії більш різноманітним вмістом. Так, напр., Встановлений квантової теорії двоїстий корпускулярно-хвильової характер мікрочастинок витлумачувався як аргумент на користь «примарність» матерії, взаємозв'язок маси і енергії - як заперечення матерії як носія енергії. Незвичність нових уявлень використовується недо-римі філософами-ідеалістами для заперечення самої можливості пізнання сутності речей і явищ. Цією мінливої ​​картині дійсності, що користується впливом і в сусідніх з Ф. областях-біології та астрономії, протистоїть науково обґрунтована філософія диалектич. матеріалізму.

4. Зв'язок сучасної фізики з технікою та іншими природними науками

Ф. виросла з потреб техніки і безперервно використовує її досвід; техніка в великій мірі визначає тематику физич. досліджень. Але також вірно (особливо для сучасної Ф.) і те, що техніка виростає з Ф., що в физич. лабораторіях створюються нові галузі техніки і нові методи вирішення техніч. задач. Досить згадати електричні. машини, радіотехніку і прикладну електроніку з постійно прогресуючими і мінливими засобами: іскрою, вакуумними лампами, напівпровідниковими приладами. Напр., Напівпровідники знаходять все більш різноманітне застосування в техніці у вигляді випрямлячів змінного струму, фотосопротивлений і термісторів, в сигналізації, автоматиці і телекеруванні, у вигляді детекторів, підсилювачів і генераторів радіоколебаній, люмінесцентних джерел світла, катодів вакуумних приладів, а останнім часом в вигляді приладів для використання енергії тепла, світла і радіоактивних випромінювань.

Бурхливий розквіт техніки в 20 в. самим безпосереднім чином пов'язаний з розвитком Ф. Якщо в 19 ст. між физич. відкриттям і першим його технічні. застосуванням проходили десятки років, то тепер цей термін скоротився до декількох років. Технич. Ф. з її численними розділами - це величезний ділянку сучасної науки. Взаємозв'язок Ф. і техніки - основний шлях розвитку тієї та іншої. Ніколи цей зв'язок не носила такого всеосяжного характеру, як в даний час. Наукові физич. інститути все повніше і успішніше поєднують у своїй тематиці физич. теорію, експериментальне вивчення та технічні. застосування нових фактів і узагальнень. Сотні галузевих лабораторій та інститутів в промисловості розробляють физич. і технологич. питання по всьому фронту сучасної техніки.

Физич. методи дослідження отримали вирішальне значення для всіх природничих наук. Електронний мікроскоп на два порядки перевищив межі, поставлені оптич. методами дослідження, і дав можливість спостерігати окремі великі молекули. Рентгенівський аналіз розкрив атомну будову речовини та структуру кристалів. Уточнений спектральний аналіз виявився дієвим засобом дослідження в геології і органічного. хімії. Мас-спектрограф вимірює маси атомів і молекул з небувалою точністю. Радіотехніч. і осціллографіч. методи дозволяють спостерігати процеси, що протікають в мільйонні і мільярдні частки секунди. Можливість спостереження за переміщенням химич. елементів і навіть окремих атомів дає метод радіоактивних ізотопів, що проник вже в усі галузі знання. Ядерні випромінювання видозмінюють протягом Біологічний. процесів і змінюють спадкові ознаки.

Всі ці прийоми далеко виходять за межі Не тільки безпосереднього спостереження, а й тих рамок, к-які ставили вимірювальні прилади 19 в. Електронно-лічильні машини настільки спростили математичного. розрахунки, що суворому розрахунку стають доступні найскладніші явища, обумовлені сотнями різних факторів.

Значення сучасної Ф. для всього природознавства сильно зросла. Теорія відносності і ядерна Ф. стали основою астрофізики - найважливішого розділу астрономії. У свою чергу, висновки астрофізики вносять нові риси в Ф. Квантова теорія лягла в основу вчення про хімічні. реакціях, неорганіч. і органічного. хімії. Ідеї ​​ядерної Ф. стають невід'ємною частиною геологич. концепцій. Все тісніше взаємний вплив Ф. і біології; біофізика в зв'язку з цим зростає в самостійну науку.

5. Роль теплових машин в житті людини

В даний час неможливо назвати жодну область виробничої діяльності людини, де б не використовувалися теплові установки. Космічна техніка, металургія, верстатобудування, транспорт, енергетика, сільське господарство, хімічна промисловість, виробництво харчових продуктів - ось далеко не повний перелік галузей народного господарства, де доводиться вирішувати наукові і технічні питання, пов'язані з тепло установками.

У теплових двигунах і теплових установках відбувається перетворення теплоти в роботу або роботи в теплоту.

Парова турбіна-це тепловий двигун, в якому потенційна енергія пари перетворюється в кінетичну, а кінетична - в механічну енергію обертання ротора. Ротор турбіни безпосередньо з'єднується з валом робочої машини, який може бути електрогенератор, гребний вент і ін.

Застосування теплових двигунів в залізничному транспорті особливо велике, тому що з поява тепловозів на залізничних магістралях полегшило перевіз основних мас вантажів і пасажирів у всіх напрямках. Тепловози з'явилися на радянських залізницях понад півстоліття тому з ініціативи В.І. Леніна. Дизелі надають руху тепловоз безпосередньо, а за допомогою електричної передачі - генераторів електричного струму і електродвигунів. На одному валу з кожним дизелем тепловоза знаходиться генератор постійного електричного струму. Що виробляється генератором електричний струм надходить в тягові електродвигуни, що знаходяться на осях тепловоза. Тепловоз складніше електровоза і коштує дорожче, зате він не вимагає контактної мережі, тягових підстанцій. Тепловоз можна використовувати всюди, де тільки укладені залізничні колії, і в цьому його величезна перевага. Дизель - економічний двигун, запасу нафтопалива на тепловозі вистачає на довгий шлях. Для перевезення великогабаритних і важких вантажів побудували важкі вантажні автомобілі, де замість бензинових двигунів з'явилися більш потужні дизельні двигуни. Такі ж двигуни працюють на тракторах, комбайнах, судах. Застосування цих двигунів набагато полегшує роботу людини. У 1897 р німецький інженер Р. Дизель запропонував двигун із займанням від стиснення, який міг би працювати не тільки на бензині, але і на будь-якому іншому паливі: гасі, нафти. Також двигуни назвали дизелями.

Історія теплових машин сягає в далеке минуле. Ще дві з гаком тисячі років тому, в 3 столітті до н. ери, великим грецьким механіком і математиком Архімедом побудував гармату, яка стріляла за допомогою пари.

Сьогодні в світі налічується сотні мільйонів теплових двигунів. Наприклад, двигуни внутрішнього згоряння встановлюють на автомобілі, кораблі, трактори, моторні човни і т. Д. Спостереження, що зміни температури тел постійно супроводжуються змінами їх обсягів, відносяться вже до віддаленій давнини, проте, визначення абсолютної величини відносини цих змін належить тільки новітньому часі. До винаходу термометрів про таких визначеннях, зрозуміло, не можна було й думати, але зате з розвитком термометрії точне дослідження зв'язку з цим ставало абсолютно необхідним. Понад те, в кінці минулого XVIII і на початку нинішнього XIX століття накопичилося безліч різних явищ, які спонукали зайнятися ретельними вимірами розширення тіл від теплоти; такими були: необхідність поправок барометричних показань при визначенні висот, визначення астрономічної рефракції, питання про пружність газів і парів, поступово зростає застосування металів для наукових приладів і технічних цілей і т. д.

Перш за все, природно, звернулася до визначення розширення повітря, яке за своєю величиною найбільше впадало в очі і уявлялося найбільш легко вимірюваних.Безліч фізиків незабаром отримало велику кількість результатів, але частково досить суперечливих. Амонтон для регулювання свого нормального термометра виміряв розширення повітря при нагріванні його від 0 ° до 80 ° R і порівняно точно визначив його в 0,380 частини його обсягу при 0 °. З іншого боку, Нюге в 1705 році отримав при посередництві кілька видозміненого приладу один раз число, вдвічі більшу, а іншим разом - число, навіть в 16 разів більше. Ла-Гір (1708) теж отримав замість амонтоновского числа 1,5 і навіть 3,5. Гоуксбі (+1709) знайшов число 0,455; Крюкіус (1720) - 0,411; Полени - 0,333; Бонн - 0,462; Мушенбрек - 0,500; Ламбер ( «Pyrométrie», стор. 47) -0,375; Делюк - 0,372; І. Т. Мейер - 0,3755 і 0,3656; Соссюр - 0,339; Вандермонда, Бертолле і Монж отримали (одна тисяча сімсот вісімдесят шість) - 0,4328. Прістлі, який отримав для розширення повітря значно відхиляється від істинного число 0,9375, стверджував, понад те, що кисень, азот, водень, вугільна кислота, пари азотної, соляної, сірчаної, плавикової кислот і аміаку - всі вони відрізняються за своїм розширенню від повітря . Г. Г. Шмідт ( «Green's Neues Journ.», IV, стор. 379) отримав для розширення повітря число 0,3574, для кисню 0,3213, нарешті, для водню, вугільної кислоти і азоту 0,4400, 0,4352 , 0,4787. Морво і Дювернуа приєдналися до думки Прістлі, але взагалі знайшли, що розширення газів не цілком пропорційно зміні температури.

теоретичний матеріал

З давніх часів людина хотів позбутися фізичних зусиль або полегшити їх при переміщенні чогось, розташовувати більшою силою, швидкістю.

Створювалися сказання про килимах літаки, семимильними чоботях і чарівників, переносять людини за тридев'ять земель помахом жезла. Тягаючи тяжкості, люди винайшли візки, адже котити легше. Потім вони пристосували тварин - волів, оленів, собак, найбільше коней. Так з'явилися візки, екіпажі. В екіпажах люди прагнули до комфорту, все більш удосконалюючи їх.

Прагнення людей збільшити швидкість прискорювало і зміну подій в історії розвитку транспорту. З грецького «аутос» - «сам» і латинського «Мобилис» - «рухомий» в європейських мовах склалося прикметник «саморушний», буквально «авто - мобільний».

Воно належала до годинах, лялькам-автоматів, до всяких механізмам, загалом, до всього, що служило як би доповненням «продовженням», «удосконаленням» людини. У ХVIII столітті спробували замінити живу силу силою пара і застосовували до безрейковим возів термін «автомобіль».

Чому ж рахунок віку автомобіля ведуть від перших «бензиномобилей» з двигуном внутрішнього згоряння, винайдених і побудованих в 1885-1886 роках? Немов забувши про парових і акумуляторних (електричних) екіпажах. Справа в тому, що ДВС справив справжній переворот в транспортній техніці. Протягом тривалого часу він виявився найбільш які відповідають ідеї автомобіля і тому надовго зберіг своє чільне місце. Частка автомобілів з ДВС становить на сьогодні понад 99,9% світового автомобільного транспорту. <�Додаток 1>

Основні частини теплового двигуна

У сучасній техніці механічну енергію отримують головним чином за рахунок внутрішньої енергії палива. Пристрої, в яких відбувається перетворення внутрішньої енергії в механічну, називають тепловими двигунами. Для здійснення роботи за рахунок спалювання палива в пристрої, званому нагрівачем, можна скористатися циліндром, в якому нагрівається і розширюється газ і переміщує поршень. <�Додаток 3> Газ, розширення якого викликає переміщення поршня, називають робочим тілом. Розширюється же газ тому, що його тиск вище зовнішнього тиску. Але при розширенні газу його тиск падає, і рано чи пізно воно стане рівним зовнішньому тиску. Тоді розширення газу закінчиться, і він перестане здійснювати роботу.

Як же слід вчинити, щоб робота теплового двигуна не припинялася? Для того щоб двигун працював безперервно, необхідно, щоб поршень після розширення газу повертався кожен раз в початкове положення, стискаючи газ до початкового стану. Стискання газу може відбуватися тільки під дією зовнішньої сили, яка при цьому здійснює роботу (сила тиску газу в цьому випадку здійснює негативну роботу). Після цього знову можуть відбуватися процеси розширення і стиснення газу. Значить, робота теплового двигуна повинна складатися з періодично повторюваних процесів (циклів) розширення і стиснення.

Малюнок 1

На рисунку 1 зображені графічно процеси розширення газу (лінія АВ) і стиснення до початкового об'єму (лінія CD). Робота газу в процесі розширення позитивна (AF> 0) і чисельно дорівнює площі фігури ABEF. Робота газу при стисненні негативна (так як AF <0) і чисельно дорівнює площі фігури CDEF. Корисна робота за цей цикл чисельно дорівнює різниці площ під кривими АВ і CD (зафарбована на малюнку).

Наявність нагрівача, робочого тіла і холодильника принципово необхідна умова для безперервної циклічної роботи будь-якого теплового двигуна.

Коефіцієнт корисної дії теплової машини

Робоче тіло, отримуючи деяку кількість теплоти Q1от нагрівача, частина цієї кількості теплоти, по модулю дорівнює | Q2 |, віддає холодильнику. Тому що здійснюються робота не може бути більше A = Q1 - | Q2 |. Відношення цієї роботи до кількості теплоти, отриманого розширюється газом від нагрівача, називається коефіцієнтом корисної дії теплової машини:

Коефіцієнт корисної дії теплової машини, що працює по замкнутому циклу, завжди менше одиниці. Завдання теплоенергетики полягає в тому, щоб зробити ККД якомога вищим, т. Е. Використовувати для отримання роботи якомога більшу частину теплоти, отриманої від нагрівача. Як цього можна досягти?

Вперше найбільш досконалий циклічний процес, що складається з ізотерм і адіабати, був запропонований французьким фізиком і інженером С. Карно в 1824 р

Цикл Карно.

Припустимо, що газ знаходиться в циліндрі, стінки і поршень якого зроблені з теплоізоляційного матеріалу, а дно - з матеріалу з високою теплопровідністю. Обсяг, займаний газом, дорівнює V1.

малюнок 2

Наведемо циліндр в контакт з нагрівачем (Малюнок 2) і надамо газу можливість ізотермічні розширюватися і здійснювати роботу. Газ отримує при цьому від нагрівача деяку кількість теплоти Q1. Цей процес графічно зображується изотермой (крива АВ).

малюнок 3

Коли обсяг газу стає рівним деякому значенню V1 '

Тепер охолоджений газ можна ізотермічні стискати при температурі Т2. Для цього його потрібно привести в контакт з тілом, що має ту ж температуру Т2, т. Е. З холодильником, і стиснути газ зовнішньою силою. Однак в цьому процесі газ не повернеться в первинний стан - температура його буде весь час нижче ніж Т1.

Тому ізотермічний стиск доводять до деякого проміжного обсягу V2 '> V1 (ізотерма CD). При цьому газ віддає холодильнику деяку кількість теплоти Q2, рівне яку здійснюють над ним роботі стиснення. Після цього газ стискається адіабатно до обсягу V1, при цьому його температура підвищується до Т1 (адіабата DA). Тепер газ повернувся в первісний стан, при якому обсяг його дорівнює V1, температура - T1, тиск - p1, і цикл можна повторити знову.

Отже, на ділянці ABC газ здійснює роботу (А> 0), а на ділянці CDA робота здійснюється над газом (А <0). На ділянках ВС і AD робота відбувається тільки за рахунок зміни внутрішньої енергії газу. Оскільки зміна внутрішньої енергії UBC = -UDA, то і роботи при адіабатних процесах рівні: АВС = -АDA. Отже, повна робота, що здійснюються за цикл, визначається різницею робіт, що здійснюються при ізотермічних процесах (ділянки АВ і CD). Чисельно ця робота дорівнює площі фігури, обмеженої кривою циклу ABCD.

У корисну роботу фактично перетворюється тільки частина кількості теплоти QT, отриманої від нагрівача, рівна QT1- | QT2 |. Отже, в циклі Карно корисна робота A = QT1 - | QT2 |.